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    大陆伸展构造综述

    张进江 黄天立

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    Citation:

    大陆伸展构造综述

      作者简介: 张进江(1964-), 男, 博士, 教授, 主要从事构造地质学研究.
    • 基金项目:

      国家自然科学基金项目 41730210

      国家重点研发计划"深地资源勘查开采"重点专项 2016YFC0600303

    • 中图分类号: P54

    An Overview on Continental Extensional Tectonics

    • 摘要: 简述了大陆伸展构造的研究历史,并从基本概念、构造样式、变形机制和动力背景等方面对大陆伸展构造进行了综述.伸展是大陆构造一种主要类型,并以正断层为主形成多种构造样式,如地堑、裂谷、拆离断层和变质核杂岩等.大陆伸展的变形机制包括纯剪切、简单剪切及分层剪切模式,并由此产生对称与非对称构造.大陆伸展构造的地表表现形式主要为裂谷或变质核杂岩,两者的形成主要取决于岩石圈的流变学结构.大陆伸展的动力学背景主要包括地幔柱上涌、俯冲板片反转与俯冲带后撤、增厚地壳的重力垮塌以及走滑体系的派生拉张等.
    • 图 1  平面状(a)和铲式(b)正断层形成岩石单元的伸展

      Figure 1.  Extensions of a lithological unit by planar (a) and listric (b) normal faulting

      Lo.原始长度;Lp.变形后长度;Le.伸展量

      图 2  现今发育的大陆裂谷(东非裂谷)、陆间裂谷(红海)和洋中脊裂谷(大西洋)

      Figure 2.  Modern continental rift (East African rift), intercontinental rift (Red Sea) and mid-oceanic ridge rift (Atlantic)

      图 3  典型拆离断层构造岩组合(a)和拆离断层不同构造部位形成的不同构造岩(b)以及下盘形成的构造岩随时间抬升并叠加的情况(c)

      Figure 3.  Typical tectonite association of a detachment fault (a), tectonite produced at different structural levels (b) and uplifting and superposing of tectonite of lower-plate during extension (c)

      图b, c修改自Lister and Davis(1989)

      图 4  典型的科迪勒拉型变质核杂岩及其形成过程

      Figure 4.  Typical Cordilleran metamorphic core complex and its formation

      a.美国科迪勒拉变质核杂岩典型实例——Wipple Mountain变质核杂岩;b.深部初始近水平韧性剪切带将韧性的中-下地壳与脆性的上地壳解耦;c.由拆离剥蚀导致的均衡调节以及岩浆侵位形成的底劈作用引起了下盘隆升形成变质核杂岩的穹窿构造.图a修改于Davis and Lister(1988);图b, c修改于Lister and Davis(1989)

      图 5  大陆伸展变形的3种基本变形机制

      Figure 5.  Three models of continental extension

      Lister et al.(1986).a.纯剪切模型; b.简单剪切模型; c.分层剪切模型

      图 6  大陆伸展的窄裂谷(a)、宽裂谷(b)和变质核杂岩模型(c)

      Figure 6.  Continental extensional models of narrow rifting (a), wide rifting (b) and metamorphic core complex (c)

      Benes and Davy(1996)

      图 7  低角度正断层的最大有效力矩模型

      Figure 7.  A model with maximum effective moment criterion for the formation of a low-angle normal fault

      图 8  上升地幔柱与大陆裂解的关系示意

      Figure 8.  Schematic diagram for the upwelling plume and continental break-up

      图 9  亚洲大陆东部伸展的板片反卷与俯冲带后撤模式

      Figure 9.  Model of continental extension of eastern Asia caused by slab rollback and subduction retreat

      图 10  增厚地壳的重力驱动伸展的示意

      Figure 10.  Simplified diagram showing extension driven by gravity of thickened crust

      Rey et al.(2001)

      图 11  走滑断层体系中的伸展

      Figure 11.  Extensions in strike-slip fault system

    • [1] Anderson, E.M., 1951.The Dynamics of Faulting and Dyke Formation with Application to Britain.The Journal of Geology, 62(4):417-417.https://doi.org/10.1086/626182 doi: 10.1086/626182
      [2] Armstrong, R.L., 1972.Low-Angle (Denudation) Faults, Hinterland of the Sevier Orogenic Belt, Eastern Nevada and Western Utah.Geological Society of America Bulletin, 83(6):1729-1754.https://doi.org/10.1130/0016-7606(1972)83[1729:ldfhot]2.0.co;2 doi: 10.1130/0016-7606(1972)83[1729:ldfhot]2.0.co;2
      [3] Bartley, J.M., Fletcher, J.M., Glazner, A.F., 1990.Tertiary Extension and Contraction of Lower-Plate Rocks in the Central Mojave Metamorphic Core Complex, Southern California.Tectonics, 9(3):521-534.https://doi.org/10.1029/tc009i003p00521 doi: 10.1029/tc009i003p00521
      [4] Beaumont, C., Jamieson, R.A., Nguyen, M.H., et al., 2001.Himalayan Tectonics Explained by Extrusion of a Low-Viscosity Crustal Channel Coupled to Focused Surface Denudation.Nature, 414(6865):738-742.https://doi.org/10.1038/414738a doi: 10.1038/414738a
      [5] Benes, V., Davy, P., 1996.Modes of Continental Lithospheric Extension:Experimental Verification of Strain Localization Processes.Tectonophysics, 254(1-2):69-87.https://doi.org/10.1016/0040-1951(95)00076-3 doi: 10.1016/0040-1951(95)00076-3
      [6] Buck, W.R., 1991.Modes of Continental Lithospheric Extension.Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 96(B12):20161-20178.https://doi.org/10.1029/91jb01485 doi: 10.1029/91jb01485
      [7] Burchfiel, B.C., Royden, L.H., 1985.North-South Extension within the Convergent Himalayan Region.Geology, 13(10):679-682.https://doi.org/10.1130/0091-7613(1985)13<679:newtch>2.0.co;2 doi: 10.1130/0091-7613(1985)13<679:newtch>2.0.co;2
      [8] Burov, E., Guillou-Frottier, L., d'Acremont, E., et al., 2007.Plume Head-Lithosphere Interactions near Intra-Continental Plate Boundaries.Tectonophysics, 434(1-4):15-38.https://doi.org/10.1016/j.tecto.2007.01.002 doi: 10.1016/j.tecto.2007.01.002
      [9] Cassel, E.J., Smith, M.E., Jicha, B.R., 2018.The Impact of Slab Rollback on Earth's Surface:Uplift and Extension in the Hinterland of the North American Cordillera.Geophysical Research Letters, 45(20):10996-11004.https://doi.org/10.1029/2018gl079887 doi: 10.1029/2018gl079887
      [10] Coney, P.J., 1980.Cordilleran Metamorphic Core Complexes:An Overview.Memoir of the Geological Society of America, 153:7-31.https://doi.org/10.1130/MEM153-p7 doi: 10.1130/MEM153-p7
      [11] Coward, M.P., Dewey, J.F., Hancock, P.L., 1987.Continental Extensional Tectonics.Geological Society Special Publications, 28:637.http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dxqy-e201205008
      [12] Crittenden, M.D.Jr., Coney, P.J., Davis, G.H., 1980.Cordilleran Metamorphic Core Complexes.Memoir of the Geological Society of America, 153:490.http://d.old.wanfangdata.com.cn/NSTLQK/NSTL_QKJJ025104833/
      [13] Cunningham, W.D., Mann, P., 2007.Tectonics of Strike-Slip Restraining and Releasing Bends.Geological Society, London, Special Publications, 290:1-12. doi: 10.1144/SP290.1
      [14] Davis, G.A., Anderson, J.L., Frost, E.G., et al., 1979.Regional Miocene Detachment Faulting and Early Tertiary (?) Mylonitization, Whipple-Buckskin-Rawhide Mountains, Southeastern California and Western Arizona.In: Abbott, P.L., ed., Geological Excursions in the Southern California Area.State University Publications, San Diego, 74-108.
      [15] Davis, G.A., Lister, G.S., 1988.Detachment Faulting in Continental Extension:Perspectives from Southwestern U.S.Cordillera.Geological Society of America Special Papers, 218:133-159. doi: 10.1130/SPE218
      [16] Davis, G.A., Qian, X.L., Zheng, Y.D., 1996.The Huairou (Shuiyu) Ductile Shear Zone, Yunmengshan Mts., Beijing.30th International Geological Congress Field Trip Guide, Beijing.
      [17] Davis, G.A., Yu, H., Qian, X.L., et al., 1994.A Chinese Metamorphic Core Complex: Geologic Introduction and Field Guide to the Yumengshan, Nothern Beijing.In: Qian, X.L., ed., Studies on Extensional Tectonics.Geological Publishing House, Beijing, 154-166(in Chinese with English abstract).
      [18] Davis, G.H., 1977.Characteristics of Metamorphic Core Complex, Southern Arizona.Geological Society of America Bulletin, 9:944.http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=a0e9a8477a68f2aa5ce5c0fdf94cc258
      [19] Ernst, R.E., Grosfils, E.B., Mege, D., 2001.Giant Dike Swarms:Earth, Venus, and Mars.Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 29(1):489-534.https://doi.org/10.1146/annurev.earth.29.1.489 doi: 10.1146/annurev.earth.29.1.489
      [20] Faccenna, C., Becker, T.W., Lucente, F.P., et al., 2001.History of Subduction and Back-Arc Extension in the Central Mediterranean.Geophysical Journal International, 145(3):809-820.https://doi.org/10.1046/j.0956-540x.2001.01435.x doi: 10.1046/j.0956-540x.2001.01435.x
      [21] Gvirtzman, Z., Nur, A., 1999.The Formation of Mount Etna as the Consequence of Slab Rollback.Nature, 401(6755):782-785.https://doi.org/10.1038/44555 doi: 10.1038/44555
      [22] Heuret, A., Lallemand, S., 2005.Plate Motions, Slab Dynamics and Back-Arc Deformation.Physics of the Earth and Planetary Interiors, 149(1-2):31-51.https://doi.org/10.1016/j.pepi.2004.08.022 doi: 10.1016/j.pepi.2004.08.022
      [23] Hou, G.T., Li, J.H., Yang, M.H., et al., 2008a.Geochemical Constraints on the Tectonic Environment of the Late Paleoproterozoic Mafic Dyke Swarms in the North China Craton.Gondwana Research, 13(1):103-116.https://doi.org/10.1016/j.gr.2007.06.005 doi: 10.1016/j.gr.2007.06.005
      [24] Hou, G.T., Santosh, M., Qian, X.L., et al., 2008b.Tectonic Constraints on 1.3-1.2 Ga Final Breakup of Columbia Supercontinent from a Giant Radiating Dyke Swarm.Gondwana Research, 14(3):561-566.https://doi.org/10.1016/j.gr.2008.03.005 doi: 10.1016/j.gr.2008.03.005
      [25] Huang, J.L., Zhao, D.P., 2006.High-Resolution Mantle Tomography of China and Surrounding Regions.Journal of Geophysical Research, 111(B9):305.https://doi.org/10.1029/2005jb004066 doi: 10.1029/2005jb004066
      [26] Jamieson, R.A., Beaumont, C., 2013.On the Origin of Orogens.Geological Society of America Bulletin, 125(11-12):1671-1702.https://doi.org/10.1130/b30855.1 doi: 10.1130/b30855.1
      [27] Karner, G.D., Manatschal, G., Pinheiro, L.M., 2007.Imaging, Mapping and Modelling Continental Lithosphere Extension and Breakup:An Introduction.Geological Society, London, Special Publications, 282(1):1-8.https://doi.org/10.1144/sp282.1 doi: 10.1144/sp282.1
      [28] Lallemand, S., Heuret, A., Faccenna, C., et al., 2008.Subduction Dynamics as Revealed by Trench Migration.Tectonics, 27(3):TC3014.https://doi.org/10.1029/2007tc002212 doi: 10.1029/2007tc002212
      [29] Lin, W., Wang, J., Liu, F., et al., 2013.Late Mesozoic Extension Structures on the North China Craton and Adjacent Regions and Its Geodynamics.Acta Petrologica Sinica, 29(5):1791-1810.http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ysxb98201305023
      [30] Lister, G.S., Davis, G.A., 1989.The Origin of Metamorphic Core Complexes and Detachment Faults Formed during Tertiary Continental Extension in the Northern Colorado River Region, U.S.A..Journal of Structural Geology, 11(1-2):65-94.https://doi.org/10.1016/0191-8141(89)90036-9 doi: 10.1016/0191-8141(89)90036-9
      [31] Lister, G.S., Etheridge, M.A., Symonds, P.A., 1986.Detachment Faulting and the Evolution of Passive Continental Margins.Geology, 14(3):246-250.https://doi.org/10.1130/0091-7613(1986)14<246:dfateo>2.0.co;2 doi: 10.1130/0091-7613(1986)14<246:dfateo>2.0.co;2
      [32] Liu, J.L., Gan, H.N., Jiang, H., et al., 2017.Rheology of the Middle Crust under Tectonic Extension:Insights from the Jinzhou Detachment Fault Zone of the Liaonan Metamorphic Core Complex, Eastern North China Craton.Journal of Asian Earth Sciences, 139:61-70.https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2016.12.024 doi: 10.1016/j.jseaes.2016.12.024
      [33] Ma, X.Y., 1982.On Extensional Tectonics.Earth Science, 7(3):15-22(in Chinese with English abstract). doi: 10.1029-JB089iB07p05733/
      [34] Ma, X.Y., Suo, S.T., You, Z.D., et al., 1981.Tectonic Deformation of the Songshan Area, Henan Geological Province, China.Geological Publishing House, Beijing (in Chinese).
      [35] Ma, Y.S., Cui, S.Q., Wu, G.G., et al., 1999.The Structural Feature of Metamorphic Core Complex in Yiwulüshan Mountains, West Liaoning.Acta Geoscientica Sinica, 20(4):385-391(in Chinese with English abstract).http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-DQXB199904009.htm
      [36] Malavieille, J., 1993.Late Orogenic Extension in Mountain Belts:Insights from the Basin and Range and the Late Paleozoic Variscan Belt.Tectonics, 12(5):1115-1130.https://doi.org/10.1029/93tc01129 doi: 10.1029/93tc01129
      [37] McKenzie, D., 1978.Some Remarks on the Development of Sedimentary Basins.Earth and Planetary Science Letters, 40(1):25-32.https://doi.org/10.1016/0012-821x (78)90071-7 doi: 10.1016/0012-821x(78)90071-7
      [38] Niu, Y.L., 2014.Geological Understanding of Plate Tectonics:Basic Concepts, Illustrations, Examples and New Perspectives.Global Tectonics and Metallogeny, 10(1):23-46.https://doi.org/10.1127/gtm/2014/0009 doi: 10.1127/gtm/2014/0009
      [39] Pirajno, F., Santosh, M., 2015.Mantle Plumes, Supercontinents, Intracontinental Rifting and Mineral Systems.Precambrian Research, 259:243-261.https://doi.org/10.1016/j.precamres.2014.12.016 doi: 10.1016/j.precamres.2014.12.016
      [40] Qian, X.L., 1994.Studies on Extensional Tectonics.Geological Publishing House, Beijing, 166(in Chinese).
      [41] Ramsay, J.G., 1980.Shear Zone Geometry:A Review.Journal of Structural Geology, 2(1-2):83-99.https://doi.org/10.1016/0191-8141(80)90038-3 doi: 10.1016/0191-8141(80)90038-3
      [42] Rey, P., Vanderhaeghe, O., Teyssier, C., 2001.Gravitational Collapse of the Continental Crust:Definition, Regimes and Modes.Tectonophysics, 342(3-4):435-449.https://doi.org/10.1016/s0040-1951(01)00174-3 doi: 10.1016/s0040-1951(01)00174-3
      [43] Rey, P.F., Mondy, L., Duclaux, G., et al., 2017.The Origin of Contractional Structures in Extensional Gneiss Domes:Reply.Geology, 45(6):e416.https://doi.org/10.1130/g39229y.1 doi: 10.1130/g39229y.1
      [44] Sengör, A.M.C., Burke, K., 1978.Relative Timing of Rifting and Volcanism on Earth and Its Tectonic Implications.Geophysical Research Letters, 5(6):419-421.https://doi.org/10.1029/gl005i006p00419 doi: 10.1029/gl005i006p00419
      [45] Shu, L.S., Sun, Y., Wang, D.Z., et al., 1998.Mesozoic Doming Extensional Tectonics of Wugongshan, South China.Science in China (Series D:Earth Sciences), 28(5):431-438(in Chinese).http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=784836b2398f738b949226d90b455b86
      [46] Sieh, K., Natawidjaja, D., 2000.Neotectonics of the Sumatran Fault, Indonesia.Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 105(B12):28295-28326.https://doi.org/10.1029/2000jb900120 doi: 10.1029/2000jb900120
      [47] Song, H.L., 1995.An Overview of Metamorphic Core Complexs-Characteristics and Origin.Earth Science Frontiers, 2(1):103-111(in Chinese with English abstract).http://cn.bing.com/academic/profile?id=bfcc27f0eed304ddac12f7c8fce840fc&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
      [48] Song, H.L., 1996.Characteristics of Fangshan Metamorphic Core Complex, Beijing and a Discussion about Its Origin.Geoscience, 10(2):149-158(in Chinese with English abstract).http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-XDDZ602.001.htm
      [49] Tapponnier, P., Peltzer, G., Le Dain, A.Y., et al., 1982.Propagating Extrusion Tectonics in Asia:New Insights from Simple Experiments with Plasticine.Geology, 10(12):611-616.https://doi.org/10.1130/0091-7613(1982)10<611:petian>2.0.co;2 doi: 10.1130/0091-7613(1982)10<611:petian>2.0.co;2
      [50] Turcotte, D.L., Emerman, S.H., 1983.Mechanisms of Active and Passive Rifting.Tectonophysics, 94(1-4):39-50.https://doi.org/10.1016/0040-1951(83)90008-2 doi: 10.1016/0040-1951(83)90008-2
      [51] Walter, G.J., 1896.The Great Rift Valley: Being the Narrative of a Journey to Mount Kenya and Lake Baringo with Some Account of the Geology, Natural History, Anthropology and Future Prospect of British East Africa.Frank Cass Publishers, Routledge, 422.
      [52] Wang, T., Zheng, Y.D., Zhang, J.J., et al., 2011.Pattern and Kinematic Polarity of Late Mesozoic Extension in Continental NE Asia:Perspectives from Metamorphic Core Complexes.Tectonics, 30(6):TC6007.https://doi.org/10.1029/2011tc002896 doi: 10.1029/2011tc002896
      [53] Wang, Y.F., Cui, W.Y., Sun, C.Z., 1994.The Louzidian-Dachengzi Detachment Fault and Its Tectonic Evolution, South of Chifeng, Inner Mongolia.In: Qian, X.L., ed., Studies on Extensional Tectonics.Geological Publishing House, Beijing, 99-108(in Chinese).
      [54] Wernicke, B., 1981.Low-Angle Normal Faults in the Basin and Range Province:Nappe Tectonics in an Extending Orogen.Nature, 291(5817):645-648.https://doi.org/10.1038/291645a0 doi: 10.1038/291645a0
      [55] Whitney, D.L., Teyssier, C., Rey, P., et al., 2013.Continental and Oceanic Core Complexes.Geological Society of America Bulletin, 125(3-4):273-298.https://doi.org/10.1130/b30754.1 doi: 10.1130/b30754.1
      [56] Yan, D.P., Song, H.L., Fu, Z.R., 1997.Tectono-Stratigraphic Division for Exposed Crust Section of Jianglang Metamorphic Core Complex in Western Margin of Yangtze Craton.Geoscience, 11(3):290-297(in Chinese with English abstract).http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-XDDZ703.004.htm
      [57] Yin, A., 1989.Origin of Regional, Rooted Low-Angle Normal Faults:A Mechanical Model and Its Tectonic Implications.Tectonics, 8(3):469-482.https://doi.org/10.1029/tc008i003p00469 doi: 10.1029/tc008i003p00469
      [58] Zhang, J.J., 2007.A Review on the Extensional Structures in the Northern Himalaya and Southern Tibet.Geological Bulletin of China, 26(6):639-649(in Chinese with English abstract).http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgqydz200706003
      [59] Zhang, J.J., Zheng, Y.D., Liu, S.W., 1998.The Xiaoqinling Metamorphic Core Complex:Structure, Genetic Mechanism and Evolution.China Ocean Press, Beijing, 120(in Chinese).
      [60] Zhang, J.Y., 1994.Tectonic Feature of the Western Edge in the Metamorphic Nucleus Complex of Hengshan.Journal of East China Geological Institute, 17(1):18-22(in Chinese with English abstract).
      [61] Zhao, D.P., Ohtani, E., 2009.Deep Slab Subduction and Dehydration and Their Geodynamic Consequences:Evidence from Seismology and Mineral Physics.Gondwana Research, 16(3-4):401-413.https://doi.org/10.1016/j.gr.2009.01.005 doi: 10.1016/j.gr.2009.01.005
      [62] Zheng, Y.D., Davis, G.A., Darby, B.J., 2001.Field Trip Guide to Hohhot Metamorphic Core Complex.Volume of Abstracts and Field Trip Guides of Workshop on Mesozoic Extensional Tectonics in China-Mongolia Boundary Region (in Chinese).
      [63] Zheng, Y.D., Wang, T., Ma, M.B., et al., 2004.Maximum Effective Moment Criterion and the Origin of Low-Angle Normal Faults.Journal of Structural Geology, 26(2):271-285.https://doi.org/10.1016/s0191-8141(03)00079-8 doi: 10.1016/s0191-8141(03)00079-8
      [64] Zheng, Y.D., Wang, T., Wang, X.S., 2007.The Maximum Effective Moment Criterion (MEMC) and Related Geological Structures.Earth Science Frontiers, 14(4):49-60(in Chinese with English abstract).http://en.cnki.com.cn/article_en/cjfdtotal-dxqy200704005.htm
      [65] Zheng, Y.D., Zhang, Q., 1993.The Yagan Metamorphic Core Complex and Extensional Detachment Fault in Inner Mongolia.Acta Geologica Sinica, 67(4):301-309, 388(in Chinese with English abstract).http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-DZXE199304001.htm
      [66] Zhu, G., Chen, Y., Jiang, D.Z., et al., 2015.Rapid Change from Compression to Extension in the North China Craton during the Early Cretaceous:Evidence from the Yunmengshan Metamorphic Core Complex.Tectonophysics, 656:91-110.https://doi.org/10.1016/j.tecto.2015.06.009 doi: 10.1016/j.tecto.2015.06.009
      [67] Zhu, G., Jiang, D.Z., Zhang, B.L., et al., 2012.Destruction of the Eastern North China Craton in a Backarc Setting:Evidence from Crustal Deformation Kinematics.Gondwana Research, 22(1):86-103.https://doi.org/10.1016/j.gr.2011.08.005 doi: 10.1016/j.gr.2011.08.005
      [68] Zhu, R.X., Xu, Y.G., Zhu, G., et al., 2012.Destruction of the North China Craton.Science in China (Series D:Earth Sciences), 42(8):1135-1159(in Chinese).https://doi.org/10.1007/s11430-012-4516-y doi: 10.1007/s11430-012-4516-y
      [69] Zhu, Z.C., 1994.Review on Metamorphic Core Complex and Extensional Tectonics.Geological Science and Technology Information, 13(3):1-9(in Chinese with English abstract).http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199400055925
      [70] Davis, G.A., 于浩, 钱祥麟, 等, 1994.中国变质核杂岩——北京云蒙山地质简介及地质旅行指南.见: 钱祥麟, 编, 伸展构造研究.北京: 地质出版社, 154-166.
      [71] 马杏垣, 1982.论伸展构造.地球科学, 7(3):15-22.http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dqkx200303007
      [72] 马杏垣, 索书田, 游振东, 等, 1981.嵩山构造变形——重力构造、构造解析.北京:地质出版社.
      [73] 马寅生, 崔盛芹, 吴淦国, 等, 1999.医巫闾山变质核杂岩构造特征.地球学报, 20(4):385-391. doi: 10.3321/j.issn:1006-3021.1999.04.008
      [74] 钱祥麟, 1994.伸展构造研究.北京:地质出版社, 166.
      [75] 舒良树, 孙岩, 王德滋, 等, 1998.华南武功山中生代伸展构造.中国科学(D辑:地球科学), 28(5):431-438.http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JDXK199805006.htm
      [76] 宋鸿林, 1995.变质核杂岩研究进展、基本特征及成因探讨.地学前缘, 2(1):103-111. doi: 10.3321/j.issn:1005-2321.1995.01.013
      [77] 宋鸿林, 1996.北京房山变质核杂岩的基本特征及其成因探讨.现代地质, 10(2):149-158.http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDDZ602.001.htm
      [78] 王玉芳, 崔文元, 孙承志, 1994.内蒙赤峰娄子店-大城子拆离断层及其构造演变.见: 钱祥麟, 编, 伸展构造研究.北京: 地质出版社, 99-108.
      [79] 颜丹平, 宋鸿林, 傅昭仁, 1997.扬子地台西缘江浪变质核杂岩的出露地壳剖面构造地层柱.现代地质, 11(3):290-297.http://www.cqvip.com/Main/Detail.aspx?id=2757232
      [80] 张进江, 2007.北喜马拉雅及藏南伸展构造综述.地质通报, 26(6):639-649. doi: 10.3969/j.issn.1671-2552.2007.06.003
      [81] 张进江, 郑亚东, 刘树文, 1998.小秦岭变质核杂岩的构造特征、形成机制及构造演化.北京:海洋出版社, 120.
      [82] 张进业, 1994.衡山变质核杂岩体西缘构造特征.华东地质学院学报, 17(1):18-22.http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199400184913
      [83] 郑亚东, Davis, G.A., Darby, B.J., 2001.呼和浩特变质核杂岩野外考察路线指南.中蒙中生代伸展构造现场研讨会论文摘要及野外地质考察路线指南.
      [84] 郑亚东, 王涛, 王新社, 2007.σg最大有效力矩准则及相关地质构造.地学前缘, 14(4):49-60. doi: 10.3321/j.issn:1005-2321.2007.04.005
      [85] 郑亚东, 张青, 1993.内蒙古亚干变质核杂岩与伸展拆离断层.地质学报, 67(4):301-309, 388.http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199400844711
      [86] 朱日祥, 徐义刚, 朱光, 等, 2012.华北克拉通破坏.中国科学(D辑:地球科学), 42(8):1135-1159.http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ddgzyckx200804016
      [87] 朱志澄, 1994.变质核杂岩和伸展构造述评.地质科技情报, 13(3):1-9.http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199400055925
    • [1] 徐峥,  郑永飞.  中国东部新生代玄武岩记录古太平洋俯冲带壳幔相互作用[J] . 地球科学, 2019, 44(12): 4135-4143. doi: 10.3799/dqkx.2019.273
      [2] 王春光,  许文良.  俯冲带壳-幔相互作用的高温高压实验:对地幔不均一性成因的启示[J] . 地球科学, 2019, 44(12): 4112-4118. doi: 10.3799/dqkx.2019.230
      [3] 陈仁旭,  郑永飞.  造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用[J] . 地球科学, 2019, 44(12): 4095-4101. doi: 10.3799/dqkx.2019.254
      [4] 陈意,  苏斌,  郭顺.  造山带橄榄岩起源和大陆俯冲带壳幔相互作用[J] . 地球科学, 2019, 44(12): 4086-4094. doi: 10.3799/dqkx.2019.262
      [5] 冷伟,  孙郁东.  大陆俯冲带热结构的数值模拟[J] . 地球科学, 2019, 44(12): 3993-3997. doi: 10.3799/dqkx.2019.253
      [6] 李锦轶,  刘建峰,  曲军峰,  郑荣国,  赵硕,  张进,  王励嘉,  张晓卫.  中国东北地区古生代构造单元:地块还是造山带?[J] . 地球科学, 2019, 44(10): 3157-3177. doi: 10.3799/dqkx.2019.980
      [7] 王国灿,  张攀.  蛇绿混杂岩就位机制及其大地构造意义新解:基于残余洋盆型蛇绿混杂岩构造解析的启示[J] . 地球科学, 2019, 44(5): 1688-1704. doi: 10.3799/dqkx.2019.056
      [8] 许文良,  孙晨阳,  唐杰,  栾金鹏,  王枫.  兴蒙造山带的基底属性与构造演化过程[J] . 地球科学, 2019, 44(5): 1620-1646. doi: 10.3799/dqkx.2019.036
      [9] 马超,  汤艳杰,  英基丰.  俯冲带岩浆作用与大陆地壳生长[J] . 地球科学, 2019, 44(4): 1128-1142. doi: 10.3799/dqkx.2019.026
      [10] 蔡鹏捷,  许荣科,  郑有业,  陈鑫,  刘嘉,  俞军真.  柴北缘从大洋俯冲到陆陆碰撞:来自开屏沟造山带M型橄榄岩的证据[J] . 地球科学, 2018, 43(8): 2875-2892. doi: 10.3799/dqkx.2018.112
      [11] 郁军建,  王国灿,  徐义贤,  郭纪盛,  陈旭军,  杨维,  龚一鸣,  陈超,  李永涛,  晏文博,  肖龙.  复杂造山带地区三维地质填图中深部地质结构的约束 方法:西准噶尔克拉玛依后山地区三维地质填图实践[J] . 地球科学, 2015, 24(3): 407-418. doi: 10.3799/dqkx.2015.032
      [12] 王国灿1,  2,  3,  徐义贤4,  陈旭军3,  郭纪盛3,  郁军建3,  龚一鸣3,  肖 龙3,  刘修国5,  花卫华5.  基于地表地质调查剖面网络基础上的复杂造山带 三维地质调查与建模方法[J] . 地球科学, 2015, 24(3): 397-406. doi: 10.3799/dqkx.2015.031
      [13] 唐鹏程,  李世琴,  雷刚林,  黄少英.  库车褶皱-冲断带拜城凹陷盐构造特征与成因[J] . 地球科学, 2012, 21(1): 69-76. doi: 10.3799/dqkx.2012.007
      [14] 张克信,  朱云海,  殷鸿福,  王国灿,  陈能松,  侯光久.  大地构造相在东昆仑造山带地质填图中的应用[J] . 地球科学, 2004, 13(6): -.
      [15] 肖龙,  王方正,  王华,  F. Pirajn.  地幔柱构造对松辽盆地及渤海湾盆地形成的制约[J] . 地球科学, 2004, 13(3): -.
      [16] 朱云海,  朱耀生,  林启祥,  王国灿.  东昆仑造山带海德乌拉一带早侏罗世火山岩特征及其构造意义[J] . 地球科学, 2003, 12(6): -.
      [17] 隋志龙,  李德威,  杨巍然,  刘德民.  藏南拉轨岗日变质核杂岩带的TM影像特征[J] . 地球科学, 2003, 12(6): -.
      [18] 张旺生,  冯光胜,  高山,  孙林华.  拉脊山-化隆变质核杂岩构造及其隆升机制探讨[J] . 地球科学, 2003, 12(4): -.
      [19] 张智勇,  张克信,  于庆文.  造山带区1/25万区域地质调查方[J] . 地球科学, 2002, 11(4): -.
      [20] 索书田,  钟增球,  张宏飞,  周汉文,  游振东.  桐柏山高压变质带及其区域构造型式[J] . 地球科学, 2001, 10(6): -.
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-11-29
    • 刊出日期:  2019-05-01

    大陆伸展构造综述

      作者简介: 张进江(1964-), 男, 博士, 教授, 主要从事构造地质学研究
    • 1. 北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京 100871
    • 2. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871
    基金项目:  国家自然科学基金项目 41730210国家重点研发计划"深地资源勘查开采"重点专项 2016YFC0600303

    摘要: 简述了大陆伸展构造的研究历史,并从基本概念、构造样式、变形机制和动力背景等方面对大陆伸展构造进行了综述.伸展是大陆构造一种主要类型,并以正断层为主形成多种构造样式,如地堑、裂谷、拆离断层和变质核杂岩等.大陆伸展的变形机制包括纯剪切、简单剪切及分层剪切模式,并由此产生对称与非对称构造.大陆伸展构造的地表表现形式主要为裂谷或变质核杂岩,两者的形成主要取决于岩石圈的流变学结构.大陆伸展的动力学背景主要包括地幔柱上涌、俯冲板片反转与俯冲带后撤、增厚地壳的重力垮塌以及走滑体系的派生拉张等.

    English Abstract

    • 根据Anderson断层模式(Anderson, 1951)划分,岩石所受应力状态可分为3种方式,其中最大主应力(σ1)为竖直方向的应力状态下产生正断层,从而形成伸展性构造.而另一种产生走滑断层的应力状态下,在走滑断弯及桥区也可以产生伸展构造,故此伸展构造是最为广泛的一种构造现象,其背后的动力学过程也复杂多样.最早的大陆伸展构造研究应属于有关裂谷的研究(Walter, 1896),并随着地球科学的发展而融入大陆漂移、板块边界及大陆裂解等研究领域.值得一提的是,随着20世纪70年代北美西部拆离断层和变质核杂岩等伸展构造的发现(Crittenden et al., 1980),大陆伸展构造就一直是地球科学一个重要研究内容,并先后召开过多次国际伸展构造会议,同时出版了众多有关伸展构造的专辑,如:有关科迪勒拉变质核杂岩的专辑Cordilleran Metamorphic Core Complexes(Crittenden et al., 1980);1985年在英国达勒姆举行的大陆伸展构造会议文集Continental Extensional Tectonics (Coward et al., 1987);1993年在法国蒙彼利埃举行的造山带晚造山伸展会议.另外,还有1995年JGR第100卷的伸展与岩浆作用关系专辑,以及2007年出版的有关被动陆缘和洋-陆转换的Geological Society Special Publications第282卷Imaging, Mapping and Modelling Continental Lithosphere Extension and Breakup专辑.

      在国内,马杏垣先生是中国大陆伸展构造的奠基人,他曾十上嵩山,历经22载,终于在1981年出版了《嵩山构造变形——重力构造、构造解析》(马杏垣等,1981)一书.在书中,马杏垣先生等人以嵩山地质构造为典型,着重研究了构造解析和重力构造2个方面的内容.其中,通过对国内外构造现象,特别是对嵩山地区的构造现象的研究分析,提出了重力在塑造地球的构造中起着巨大作用,重力作用能够诱导和转换成水平构造运动的重大认识.随后他在其学术论文《论伸展构造》(马杏垣,1982)中,对伸展构造的涵义、展布和意义,伸展构造的类型、形成与演化等进行了综合论述,从而开创了中国大陆伸展构造研究的新纪元,并将大陆伸展构造研究推向了新的高潮.

      北京大学地质系是开展伸展构造研究较早的单位之一,从1986年就开始与美国学者合作,开展了云蒙山变质核杂岩的研究(Davis et al., 1994, 1996).1980年代后期,独立在内蒙古亚干发现典型的科迪勒拉型变质核杂岩(郑亚东和张青, 1993).1990年代中期,集北京大学及国内外专家研究成果,编著了《伸展构造研究》(钱祥麟,1994)一书.

      与此同时,国内学者也开展了广泛的研究,先后在北京房山(宋鸿林,1996)、赤峰娄子店(王玉芳等, 1994)、小秦岭(张进江等, 1998)、辽西医巫闾山(马寅生等,1999)、内蒙大青山(郑亚东等, 2001)、扬子西缘(颜丹平等,1997)、湖南衡山(张进业,1994)和江西武功山(舒良树等,1998)等地发现了典型的大陆伸展构造并进行了深入研究.

      2007年开始实施的国家自然科学基金委员会《华北克拉通破坏》重大研究计划,在构造方面对大陆伸展研究起到了巨大推动作用,使得人们对大陆伸展的构造特征、动力学过程和背景的认识都有了长足进展(Karner et al., 2007; Wang et al., 2011; Zhu et al., 2012, 2015; Lin et al., 2013; Liu et al., 2017).同时,青藏高原这个以碰撞造山为特征的特殊构造环境下的大陆伸展构造,也逐渐受到了人们的重视(张进江,2007).

      • 伸展构造的定义为地壳和岩石圈经受拉伸所形成的构造现象及与之相关的构造作用.伸展构造发生的应力条件为最小主应力(σ3)在水平方向上减小,或最大主应力(σ1)在竖直方向上增大,或上述2种过程同时作用.其形成的地质背景则是经历水平拉伸、垂向岩浆上涌、底辟或穹隆地区,以及造山带地壳增厚地区等.上盘相对于下盘向下滑动的正断层造成岩石单元的水平伸展(图 1),是最为常见的伸展构造,而其他的伸展构造也多与正断层相关.从规模角度,大规模的伸展构造包括大陆裂谷、被动陆缘、离散型板块边界、弧后扩展盆地等,次级规模的包括造山带重力扩散构造、松弛性断弯及拉分盆地、以及拆离断层和变质核杂岩等.发育于大陆、经受拉伸的地壳为大陆地壳的伸展构造为大陆伸展构造.

        图  1  平面状(a)和铲式(b)正断层形成岩石单元的伸展

        Figure 1.  Extensions of a lithological unit by planar (a) and listric (b) normal faulting

      • 大陆伸展构造在地壳层次或在地表露头上的,一般是与正断层相关的构造样式,主要的构造样式如下:

      • 地堑为由2组走向近平行且相向倾斜的正断层及其所夹持的下降断块形成的构造,构造形成时导致负地形,故称地堑;地垒是由2组走向近平行且相背倾斜的正断层及其所夹持的抬升断块形成的构造,构造形成时导致正地形,故称地垒.半地堑由单侧正断层及其上盘掀斜断块构成,与半地堑相对应的掀斜断块则形成半地垒构造.地堑(半地堑)和地垒(半地垒)经常连续相间发育,形成走向近平行的地堑和地垒相间排列的构造,因为地堑一般形成盆地而地垒形成山岭,故称为盆岭构造,最为著名的盆岭构造见于北美西部的盆岭省.

      • 裂谷是岩石圈经受拉张伸展作用形成的大型构造,由地堑、半地堑及其他与正断层相关构造组成的区域性狭长构造带,一般表现为以断层为边界的狭长谷地.裂谷一般由地幔上涌(地幔柱)或区域性伸展形成,其进一步发展可演化成大洋盆地.根据发育位置,裂谷可分为大陆裂谷、陆间裂谷和洋中脊裂谷(图 2).对应于板块构造,大陆裂谷发生于大陆裂解的开始,裂谷发育于大陆内部,裂谷内仍主要为大陆地壳,如现今的东非裂谷带.大陆裂谷的进一步伸展,裂谷内形成初始洋盆,此时称为陆间裂谷,如现在的红海.陆间裂谷进一步伸展,形成成熟洋盆,原先的裂谷肩形成被动陆缘,原来的裂谷中心形成海底扩展的中心,因扩展速率和岩浆供给原因,扩展中心会形成裂谷,此为洋中脊裂谷,或称为中央裂谷带.初始裂谷往往以三叉裂谷系形式出现,其中2支向大洋盆地发育(红海-大西洋),第3支则夭亡而形成坳拉谷.

        图  2  现今发育的大陆裂谷(东非裂谷)、陆间裂谷(红海)和洋中脊裂谷(大西洋)

        Figure 2.  Modern continental rift (East African rift), intercontinental rift (Red Sea) and mid-oceanic ridge rift (Atlantic)

      • 岩石圈伸展作用形成的以正断层为边界的构造盆地,包括了裂谷内的地堑、半地堑等.纯剪切共轴伸展作用下,会形成两侧发育同等正断层的对称性断陷盆地,如地堑;在简单剪切模式下,往往会形成只在一侧发育正断层的不对称型断陷盆地,如半地堑,一般与铲式断层和掀斜断层相关,或被称为掀斜盆地.断陷盆地为构造盆地,其内多发育生长地层.

      • 岩墙是岩浆沿围岩的裂隙侵入的一般近直立的板状侵入体,其本身所占空间就代表了地壳的伸展.近平行、放射状或同心状排列的,同时代形成于同一地质事件的一组岩墙就称为岩墙群.其中,大陆上近平行排列的岩墙群一般发育于大陆裂谷或坳拉谷,如华北中部近南北向的岩墙群,以及北美的Mackenzie岩墙群.这些古老的岩墙群一般被认为是大陆裂解时,地幔柱上涌及其导致的岩石圈伸展联合作用的产物,一般是三叉裂谷系夭亡的一支的表现(Hou et al., 2008a).这些区域上近平行的岩墙群,在古大陆重建后,会在超大陆尺度上形成巨型的放射状岩墙群(Ernst et al., 2001; Hou et al., 2008b),其放射状的中心指示地幔柱的位置.岩墙群除了古大陆重建外,早前寒武纪的岩墙群还可作为大陆固结的标志,也可作为大陆伸展及其伸展量的标志.

        小规模的岩墙群还包括与下部岩浆房相关的放射状和环状岩墙群,岩浆房膨胀乃至引起火山爆发,会导致地壳浅层的放射状破裂,岩浆侵入其中形成放射状岩墙群;而岩浆房萎缩或冷凝,其上地壳会因收缩、垮塌而形成同心环状断层或裂隙,残余岩浆侵位其中形成环状岩墙群.

      • 拆离断层和变质核杂岩是20世纪70年代末—80年代初,北美西部盆岭省地质研究所涌现出的大陆伸展构造的新构造样式和新的地质概念,其构造样式及其动力学过程为大陆伸展构造研究注入了新的活力.

        拆离断层曾被称为剥蚀断层(denudation fault;Armstrong, 1972)、滑脱层(décollement;Coney, 1980)和低角度正断层(Wernicke, 1981),拆离断层(detachment fault)由Davis et al.(1979)正式采用,并将北美西部的拆离断层定名为科迪勒拉型拆离断层(Davis and Lister, 1988).其定义是具有低初始倾角的区域规模的伸展性断层,其最主要的特征是将年轻或浅层次岩石直接叠覆于古老或深构造层次的岩石之上,通常形成分割上盘不变质或低级变质岩与下盘具糜棱结构的高级变质结晶岩石的断层.拆离断层另一个显著的构造特征是其独具特征的构造岩组合,反映了早期韧性-后期脆性的变形历史,先后形成不同性质的构造岩带依次变窄叠加.典型的组合依次是糜棱状岩石、绿泥石化角砾岩、微角砾岩(含假熔岩)、断层角砾和断层泥(图 3a).它们自下而上顺序产出,向上变新并且发生后者对前者的叠加,各类构造岩的发育厚度也依次变薄.这种构造岩组合代表了在拉伸环境下,下部构造岩依次抬升,先后经历不同条件和不同机制的变形叠加所形成的构造岩组合(图 3b, 3c).

        图  3  典型拆离断层构造岩组合(a)和拆离断层不同构造部位形成的不同构造岩(b)以及下盘形成的构造岩随时间抬升并叠加的情况(c)

        Figure 3.  Typical tectonite association of a detachment fault (a), tectonite produced at different structural levels (b) and uplifting and superposing of tectonite of lower-plate during extension (c)

        变质核杂岩一词首先由Davis(1977)提出,Coney(1980)将其定义为“一组由强烈变形的变质岩石和深成岩组成的孤立穹窿状或拱形隆起,上覆以被构造拆离和伸展的未变质盖层岩石”.而最新的定义则是“由韧性变形岩石及相关的侵入体形成的穹隆或拱状地质构造,其上为韧-脆性高应变带,该变形带经历了数十千米因岩石圈伸展而产生的正断性位移”(Whitney et al., 2013).变质核杂岩的地质特征已有诸多论述(Coney, 1980; Lister and Davis, 1989; 朱志澄,1994; 宋鸿林,1995张进江等, 1998),总结起来,变质核杂岩一般具有如下4个显著特征(图 4a):(1)周缘(有时包含顶部)发育拆离断层,并以低初始倾角和特有构造岩组合为特征;(2)下盘由糜棱岩化中-深变质岩组成、上盘由发生正断层作用的浅层次岩石组成;(3)在剖面上具有明显的地层或岩层缺失;(4)上、下盘不同性质的变形具有统一的运动性质.

        图  4  典型的科迪勒拉型变质核杂岩及其形成过程

        Figure 4.  Typical Cordilleran metamorphic core complex and its formation

        实际上,变质核杂岩本身就是置根于中地壳的拆离断层的下盘(图 4b),经过拆离断层的正断抬升作用,并由于均衡调节作用和岩浆底劈作用而形成穹窿状态(图 4c).

      • Lister et al.(1986)在总结他人成果的基础上,提出了大陆伸展变形的3种变形机制模型:(1)对称的纯剪切伸展模型,即Mckenzie模型(图 5aMcKenzie, 1978),该模型认为拆离断层代表地壳脆-韧性转换带,上盘以掀斜断块形式完全脆性伸展,下盘均匀韧性拉伸;(2)拆离断层或低角度地壳剪切带型的不对称简单剪切模式,即Wernicke模型(图 5bWernicke, 1981),该模式中拆离断层切穿了整个岩石圈;(3)分层剪切模式,即Lister模型(图 5c),该模式认为拆离带在脆-韧性转换带之下变为水平产状,之后向下变陡,到壳幔边界再次变成水平产状,这种产状的变化导致下地壳和上地幔的部分纯剪切变形.

        图  5  大陆伸展变形的3种基本变形机制

        Figure 5.  Three models of continental extension

      • 根据大陆伸展构造形成的地表表现及相关的构造形态,可大致分为2个类型:(1)总体发生沉降的裂谷,尽管裂谷肩会相对抬升;(2)总体发生抬升的变质核杂岩,虽然上叠盆地相对沉降.那么是什么因素决定大陆伸展形成裂谷还是形成变质核杂岩呢?Buck(1991)通过模拟计算提出了不同岩石圈流变结构下窄裂谷、宽裂谷和变质核杂岩的大陆伸展模式,Benes and Davy(1996)通过物理模拟完善了这一模型.

        窄裂谷作用:大陆伸展作用集中于一个狭窄的强烈发育正断层的变形区域,变形区与不变形区之间存在较大的地壳厚度与地形的横向变化,而岩石圈最大的减薄和地幔上涌都发生于裂谷之下的一个较窄的区域(图 6a).窄裂谷作用属稳态岩石圈伸展,即变形不向裂谷带外的不变形区迁移.该模式的核心是脆性上地壳的阻力主导变形过程,即强上地壳.窄裂谷的实例包括东非裂谷、贝加尔裂谷和莱茵地堑等.

        图  6  大陆伸展的窄裂谷(a)、宽裂谷(b)和变质核杂岩模型(c)

        Figure 6.  Continental extensional models of narrow rifting (a), wide rifting (b) and metamorphic core complex (c)

        宽裂谷作用:宽裂谷具有2个特征,即宽达800 km的宽泛的弥散伸展应变区、较小的地壳厚度与地形的横向变化(图 6b).有2种地质条件利于宽裂谷作用的发生:(1)强上地幔主导岩石圈流变学特征和低应变速率;(2)增厚地壳的重力势能为主导,即重力垮塌,重力势能可以阻止变形的局部化(即形成窄裂谷).这种模型具有强的上地幔和相对较薄的脆性上地壳,而下地壳可以发生韧性流动.下地壳流动可以使变形带扩展,所以宽裂谷作用属非稳态岩石圈伸展.宽裂谷的实例是北美西部的盆岭省.

        变质核杂岩:形成于窄带内的高速率应变,从而导致中-下地壳高级变质岩的剥露(图 6c).变质核杂岩的起始类似于宽裂谷,随伸展的发展,变形集中于由2个边界正断层限制的裂谷,从而使断层不再向不变形的岩石圈迁移,即从非稳态伸展向稳态伸展转换.重力、地壳厚度的变化驱动弱的下地壳流向减薄区域,该流动导致变质核杂岩的上升,从而取代裂谷的初始沉降.该模式的核心是可流动的厚的下地壳和重力驱动.变质核杂岩形成时会因为拆离断层的几何和运动特征而形成对称与不对称的变质核杂岩(Malavieille, 1993).

        总之,当强脆性上地壳主导变形时,岩石圈伸展导致窄裂谷;当重力主导变形时,并存在增厚地壳及弱(热)的下地壳时,则导致宽裂谷及变质核杂岩的早期阶段;当有异常弱(低粘度)的下地壳存在时,韧性物质流向伸展区域,从而形成变质核杂岩.而最近的数值模拟研究也揭示深部物质流动对伸展构造的贡献(Rey et al., 2017).

        裂谷作用除上述分类外,还可根据其岩石圈受力方式及其与地幔物质活动的关系分为主动裂谷作用与被动裂谷作用(Sengör and Burke, 1978; Turcotte and Emerman, 1983).主动裂谷作用产生于地幔对流或地幔柱形成的地幔物质上涌,具体过程见下文5.1地幔柱上涌;被动裂谷作用形成于岩石圈的直接拉伸,岩石圈可在多种环境下(如弧后)经拉张而形成伸展,并进而造成热地幔的上隆.

        在拆离断层即变质核杂岩中,都强调了低倾角正断层的问题(Wernicke, 1981),自低角度正断层提出后,人们对其成因进行了很多探讨.Ramsay(1980)就曾用有限应变的旋转解释正断层的低角度;Yin(1989)提出一种地壳弹性模型,模型中底部摩擦力引起块体内应力主方向的变化,导致低角度正断层的形成;后来更多的人采用了Bartley et al.(1990)提出的旋转铰链模型(rolling-hinge model).然而,郑亚东先生提出的最大有效力矩准则(Zheng et al., 2004),为低角度正断层给出了更合理的解释(郑亚东等, 2007).

        根据最大有效力矩准则,强变形带可以钝角(约110°)面对最大主应力(σ1图 7b).当一个造山带发生逆冲增厚时,造山带地壳同时经受2种作用,一个是逆冲运动产生的简单剪切,而简单剪切产生与剪切方向成45°角的主压力(σsc图 7a);逆冲增厚产生重力负载(σg图 7c),两者的合力形成新的最大主应力(σ1),即${\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over \sigma } _1} = {\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over \sigma } _g} + {\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over \sigma } _{sc}} $(图 7c).开始增厚后,最大主应力(σ1)与竖直方向的夹角变得小于45°,根据最大有效力矩准则,形成以σ1为角分线的夹角为110°的共轭剪切带(断层),根据运动学相容性,只有一直同向运动的断层形成,它就是倾角小于10°的逆冲断层(图 7c).当持续的增厚使σ1与竖直方向的夹角减小到35°时,断层倾角变为0°(图 7d);继续增厚使σ1与竖直方向的夹角小于35°时,断层变为正断层(图 7e).该模型下,正断层的倾角为0°到35°.

        图  7  低角度正断层的最大有效力矩模型

        Figure 7.  A model with maximum effective moment criterion for the formation of a low-angle normal fault

      • 发生伸展构造的应力条件为最小主应力(σ3)在水平方向上减小,或最大主应力(σ1)在竖直方向上增大,或上述2种过程同时作用.产生这种应力状态地质背景如下:

      • 目前看来,大陆裂解和地幔柱的活动密切相关(图 8Burov et al., 2007; Pirajno and Santosh, 2015),是触发大陆伸展最直接、最常见的动力学机制.上升的地幔柱导致其上方的岩石圈受热并发生穹窿,穹窿产生的重力势能驱使地壳发生重力扩散而产生水平拉伸应力,受热的地壳和岩石圈强度降低,在水平拉伸下或产生正断层或形成岩石圈的减薄.上升的地幔柱到达岩石圈底部时,会发生放射状的水平流动,其对岩石圈的拖曳也可以增强水平拉伸应力场.

        图  8  上升地幔柱与大陆裂解的关系示意

        Figure 8.  Schematic diagram for the upwelling plume and continental break-up

        小规模的岩浆底辟或是岩盐及泥岩的底辟也会产生类似的伸展,只是岩盐/泥岩底辟的拉伸更多是横弯作用产生的顺层拉伸.造山带去根或拆沉也可产生类似的拉伸应力状态,只是去根和拆沉形成的反弹,对地壳的抬升(相当于地幔柱上方的穹窿)贡献较大.

      • 位于活动陆缘下盘的大洋俯冲板片的动力过程,是引起大陆边缘、特别是弧后扩展的主要动力,有时甚至会成为大陆内部伸展的主要动力之一(Wang et al., 2011; 朱日祥等, 2012).俯冲板片的伸展效应主要是俯冲到地幔的板片,因密度大而使俯冲角度变陡或是整体下沉,即所谓的板片反卷作用(slab rollback; Gvirtzman and Nur, 1999; Heuret and Lallemand, 2005; Niu, 2014; Cassel et al., 2018),反卷导致俯冲带及海沟的后撤(subduction or trench retreat; Faccenna et al., 2001; Lallemand et al., 2008).这种后撤,导致大陆边缘的伸展,产生弧后拉张盆地,拉张作用还可以传递到大陆内部,如中生代华北克拉通的伸展破坏.

        地球物理资料揭示了西至中国大陆东部重力梯度带、地幔过渡带内的停滞板片(Huang and Zhao, 2006),并以此提出了中国大陆伸展的大地幔楔模型(BMW; Zhao and Ohtani, 2009; Niu, 2014).这个模型强调了停滞板片之上地幔楔的对流以及俯冲板片的脱水作用引起湿热的软流圈物质的上涌,从而导致亚洲大陆东部的伸展及裂谷作用.但该模式恰恰没有考虑板片反卷的物理作用,而这个作用可能在构造动力机制上更为重要.俯冲板片到达过渡带后发生停滞,相当于被固定;而后续的板片依然在俯冲,同时由于密度的关系而下沉;连带停滞和正在俯冲的板片一起,依次平铺在地幔过渡带内,这就自然导致俯冲板片的反卷和俯冲带后撤,从而导致亚洲大陆东部的伸展(图 9).

        图  9  亚洲大陆东部伸展的板片反卷与俯冲带后撤模式

        Figure 9.  Model of continental extension of eastern Asia caused by slab rollback and subduction retreat

      • 诸如造山带和高原,增厚的地壳因重力势能作用而产生水平拉伸的应力场,从而发生重力垮塌(Burchfiel and Royden, 1985; Rey et al., 2001).图 10简要地示意了增厚地壳重力驱动伸展的原理,增厚的地壳(岩石圈的一部分,图 10a)导致拉伸驱动力(图 10b),驱动力与其强度(图 10c)相较,在地壳内明显形成拉张(图 10d).重力垮塌与地壳增厚建立起的重力势能相关,当维持这一增厚导致的重力势能异常的力(比如造山的汇聚力)降低时,势能异常将发生松弛,导致重力扩散和重力垮塌.也就是说,造山运动使地壳增厚和垂向压力增大,垂向压力的增大、水平挤压应力的减小和消失以及造山带下部热物质上涌导致应力三主轴的转换,产生水平拉伸应力场.马杏垣先生提出的重力构造,就是这种重力垮塌构造(马杏垣等,1981).

        图  10  增厚地壳的重力驱动伸展的示意

        Figure 10.  Simplified diagram showing extension driven by gravity of thickened crust

        而近来在喜马拉雅的研究中,有关中下地壳流动数值模拟研究也证实了,在收缩环境下无需减少水平挤压力,部分熔融的浮力和地形前锋的剥蚀同样可以形成伸展构造(Beaumont et al., 2001; Jamieson and Beaumont, 2013).

      • 走滑体系是地球上最主要的一种构造类型,除圣·安德列斯断裂这样的板块边界断裂外,斜向俯冲和大陆碰撞都会导致大陆内部的走滑(Tapponnier et al., 1982; Sieh and Natawidjaja, 2000).当走滑断层产状发生变化,如走向变化产生断弯、或产生雁列叠接形成桥区时,会因为走滑性质与断弯或桥区方式的不同而形成伸展构造环境(Cunningham and Mann, 2007),诸如松弛性断弯、拉张桥和拉伸性末端转换(图 11).在左行走滑体系中,S形弯曲、左阶雁列叠接区(桥区)以及两盘走滑方向后方的末端转换区,都是拉伸区(图 11);而在右行走滑体系,则Z形断弯和右阶桥区形成拉伸.

        图  11  走滑断层体系中的伸展

        Figure 11.  Extensions in strike-slip fault system

    参考文献 (87)

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